القياس الحراري فرع من فروع الفيزياء يدرس انتقال الحرارة بين الأجسام وآثاره. وهو أساسي لفهم عمليات مثل التسخين والتبريد وتغيرات الحالة الفيزيائية للمواد. علاوة على ذلك، للقياس الحراري تطبيقات عملية عديدة، مثل تصميم أنظمة التبريد، وإنتاج الطاقة، وصناعة الأغذية، حيث يُستخدم لتحديد القيمة الحرارية للأغذية. في هذا السياق، تُعد دراسة القياس الحراري أساسية لفهم العمليات الحرارية والتحكم فيها في مختلف قطاعات العلوم والتكنولوجيا.
التطبيقات العملية لقياس السعرات الحرارية: أين وكيف يمكننا استخدام هذه التقنية المهمة.
قياس الحرارة تقنية مهمة لدراسة انتقال الحرارة بين الأجسام وآثاره. لها تطبيقات عملية عديدة في مجالات متنوعة، وهي أساسية لفهم العمليات الحرارية والتحكم فيها.
يُعدّ قياس السعرات الحرارية أحد التطبيقات الرئيسية في صناعة الأغذية، حيث يُستخدم لتحديد كمية السعرات الحرارية الموجودة في الأطعمة. يُعدّ هذا ضروريًا لتطوير أنظمة غذائية متوازنة وضمان جودة المنتج. علاوةً على ذلك، يُعدّ قياس السعرات الحرارية ضروريًا أيضًا لحفظ الأغذية، إذ يُساعد في ضبط درجة الحرارة أثناء التخزين والنقل.
في مجال الرعاية الصحية، يُستخدم قياس السعرات الحرارية في إجراءات طبية متنوعة، مثل تحديد معدل الأيض الأساسي للمرضى. يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية لعلاج الأمراض المرتبطة بالتمثيل الغذائي ووصف الأنظمة الغذائية المناسبة. كما يُستخدم قياس السعرات الحرارية في الأجهزة الطبية، مثل أجهزة الرنين المغناطيسي، لضمان عملها بكفاءة.
من التطبيقات المهمة الأخرى لقياس السعرات الحرارية في الصناعة الكيميائية، حيث يُستخدم لمراقبة التفاعلات الكيميائية وعمليات التصنيع. يتيح قياس السعرات الحرارية تحديد كمية الحرارة المُستخدمة في التفاعل، مما يُساعد على تحسين العمليات وخفض التكاليف. علاوة على ذلك، يُعدّ قياس السعرات الحرارية ضروريًا لضمان السلامة في العمليات التي تنطوي على درجات حرارة عالية.
باختصار، يُعدّ القياس الحراري تقنيةً أساسيةً ذات تطبيقات عملية متعددة في مجالات متنوعة، إذ يُسهم في تطوير منتجات جديدة، والحفاظ على الصحة، وضمان السلامة في العمليات الصناعية. لذا، يُعدّ فهم وتطبيق مفاهيم القياس الحراري أمرًا أساسيًا لضمان الكفاءة والجودة في مختلف الأنشطة اليومية.
فهم مفهوم السعرات الحرارية ومجال دراستها في الفيزياء الحرارية.
A قياس السعرات الحرارية هو فرع من الفيزياء الحرارية، يدرس كمية الحرارة المتضمنة في العمليات الفيزيائية والكيميائية. وهو مسؤول عن قياس التغيرات في درجات الحرارة وحساب كمية الحرارة المتبادلة بين الأجسام المتفاعلة.
Na قياس السعرات الحراريةنستخدم أدوات مثل المسعرات الحرارية لقياس التبادل الحراري. تتكون هذه الأجهزة من مواد ذات سعة حرارية معروفة، مما يسمح لنا بحساب كمية الحرارة المستهلكة في عملية معينة.
بالاضافة قياس السعرات الحرارية تدرس الخصائص الحرارية للمواد، مثل التوصيل الحراري والحرارة النوعية، والتي تعتبر ضرورية لفهم كيفية تفاعل الأجسام مع التغيرات في درجات الحرارة.
تطبيقات قياس السعرات الحرارية واسعة النطاق وتغطي مجالات متنوعة، من الصناعة إلى الطب. ففي الصناعة، على سبيل المثال، تُعدُّ هذه الأنظمة أساسيةً للتحكم في عمليات الإنتاج التي تتضمن تفاعلات كيميائية طاردة أو ماصة للحرارة. أما في الطب، قياس السعرات الحرارية يستخدم لتشخيص ومراقبة الأمراض التي تسبب تغيرات في درجة حرارة الجسم.
باختصار ، فإن قياس السعرات الحرارية إنها أداة أساسية لفهم تبادل الحرارة واختلافات درجات الحرارة في أكثر العمليات تنوعًا، مما يساهم في تقدم العلوم وتطوير التقنيات الجديدة.
أماكن تطبيق القياس الحراري في مختلف مجالات العلوم والهندسة.
القياس الحراري فرع من فروع الفيزياء يدرس انتقال الحرارة بين الأنظمة ونتائجه. له تطبيقات عديدة في مختلف مجالات العلوم والهندسة، وهو أساسي لتطوير تقنيات وعمليات جديدة.
يُعدّ مجال الصناعة أحد التطبيقات الرئيسية للقياس الحراري، حيث يُستخدم لقياس كمية الحرارة المُستهلكة في التفاعلات الكيميائية وعمليات التصنيع. وهذا يُحسّن كفاءة الطاقة ويضمن جودة المنتج. علاوةً على ذلك، يُعدّ القياس الحراري أساسيًا لتطوير مواد جديدة ذات خصائص حرارية مُحددة.
في الطب، يُستخدم قياس السعرات الحرارية لدراسة عملية الأيض لدى الإنسان وتشخيص الأمراض المرتبطة باختلال التوازن الحراري في الجسم. كما يُستخدم في أبحاث المعالجات الحرارية وفي تطوير المعدات الطبية.
في البحث الأكاديمي، يُستخدم القياس الحراري لدراسة الظواهر الحرارية في أنظمة مختلفة، مثل المواد والسوائل والمركبات الكيميائية. وهو أساسي لفهم الخصائص الحرارية للمواد، ويساهم في تطوير المعرفة العلمية.
في الهندسة، يُستخدم القياس الحراري لتصميم أنظمة التبريد والتدفئة والعزل الحراري، مما يضمن الأداء السليم للآلات والمعدات. كما يُستخدم في تطوير تقنيات مستدامة جديدة، تهدف إلى تقليل استهلاك الطاقة والحد من الأثر البيئي.
باختصار، يُعدّ القياس الحراري أداةً أساسيةً في العديد من مجالات العلوم والهندسة، إذ يُسهم في فهم العمليات الحرارية وتطوير تقنيات وتطبيقات جديدة. وتُعدّ دراسته وتطبيقه أمرًا أساسيًا لتقدم المجتمع والبحث عن حلول مبتكرة لتحديات العالم الحديث.
المبادئ الأساسية في علم السعرات الحرارية: اكتشف كيفية قياس وحساب الطاقة الحرارية.
القياس الحراري فرع من فروع الفيزياء يدرس تبادل الطاقة الحرارية بين الأجسام. لقياس هذه الطاقة وحسابها، من المهم فهم بعض المبادئ الأساسية للقياس الحراري.
أحد المبادئ الأساسية هو قانون حفظ الطاقة، الذي ينص على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تبقى ثابتة بمرور الوقت. هذا يعني أن الطاقة الحرارية المفقودة من جسم ما تساوي الطاقة الحرارية المكتسبة من جسم آخر في عملية تبادل حراري.
مبدأ مهم آخر هو السعة الحرارية، التي تُمثل كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الجسم بمقدار وحدة حرارية واحدة. السعة الحرارية خاصية خاصة بكل مادة، ويمكن استخدامها لحساب كمية الحرارة المتضمنة في عملية حرارية.
لقياس الطاقة الحرارية المُستخدمة في عملية ما، نستخدم جهازًا يُسمى المسعر الحراري. المسعر الحراري هو جهاز يعزل النظام عن البيئة الخارجية ويقيس بدقة التبادل الحراري بين الأجسام.
لحساب الطاقة الحرارية، نستخدم الصيغة Q = mcΔT، حيث تمثل Q كمية الحرارة، وm كتلة الجسم، وc السعة الحرارية، وΔT التغير في درجة الحرارة. باستخدام هذه الصيغة، يمكننا تحديد كمية الطاقة الحرارية المتضمنة في عملية ما، وإجراء حسابات مختلفة تتعلق بالقياس الحراري.
لقياس السعرات الحرارية تطبيقات عملية متعددة، مثل دراسة العمليات الصناعية، وتحديد السعات الحرارية للمواد، وحساب التبادل الحراري في الأنظمة المعقدة. بفهم المبادئ الأساسية لقياس السعرات الحرارية، يُمكن فهم وتحليل تبادل الطاقة الحرارية بدقة في سياقات مختلفة.
القياس الحراري: ما تدرسه وتطبيقاته
A قياس السعرات الحرارية هي تقنية لتحديد التغيرات في المحتوى الحراري لنظام ما، والمرتبطة بعملية كيميائية أو فيزيائية. تعتمد هذه التقنية على قياس التغيرات في درجة الحرارة عند امتصاص النظام للحرارة أو انبعاثها. المسعر هو الجهاز المستخدم في التفاعلات التي تتضمن تبادلًا حراريًا.
ما يُعرف بـ"فنجان القهوة" هو أبسط أشكال هذا النوع من الأجهزة. يقيس كمية الحرارة المتولدة في التفاعلات التي تُجرى تحت ضغط ثابت في محلول مائي. يتكون مسعر فنجان القهوة من وعاء من البوليسترين موضوع في كوب.
يُوضع الماء في وعاء من البوليسترين، مزود بغطاء من البوليسترين يوفر عزلًا حراريًا. كما يحتوي الوعاء على مقياس حرارة ومحرك ميكانيكي.
يقيس هذا المسعر الحراري كمية الحرارة الممتصة أو المنبعثة، بناءً على ما إذا كان التفاعل ماصًا أو طاردًا للحرارة، عند حدوثه في محلول مائي. يتكون النظام المراد دراسته من متفاعلات ونواتج.
ماذا تدرس السعرات الحرارية؟
تدرس القياسات الحرارية العلاقة بين الطاقة الحرارية المصاحبة للتفاعل الكيميائي وكيفية استخدامها لتحديد متغيراته. وتبرر تطبيقاتها البحثية نطاق هذه الأساليب.
السعة الحرارية للمسعر
تُحسب هذه السعة بقسمة كمية الحرارة التي يمتصها المسعر الحراري على التغير في درجة الحرارة. هذا التغير هو حاصل ضرب الحرارة المنبعثة في التفاعل الطارد للحرارة، والذي يساوي:
كمية الحرارة التي يمتصها المسعر + كمية الحرارة التي يمتصها المحلول
يمكن تحديد التغير بإضافة كمية معروفة من الحرارة وقياس التغير في درجة الحرارة. يُستخدم حمض البنزويك عادةً لتحديد السعة الحرارية، لأن حرارة احتراقه معروفة (3.227 كيلوجول/مول).
يمكن أيضًا تحديد السعة الحرارية عن طريق إضافة الحرارة من خلال تيار كهربائي.
مثال استخدام المسعر لحساب الحرارة النوعية
يتم تسخين قضيب معدني يزن 95 جرامًا إلى 400 درجة مئوية ووضعه على الفور في مقياس حرارة يحتوي على 500 جرام من الماء، في البداية عند 20 درجة مئوية. درجة الحرارة النهائية للنظام هي 24 درجة مئوية. احسب الحرارة النوعية للمعدن.
Δq = mx ce x Δt
في هذا التعبير:
Δq = تغير الحمل.
م = كتلة
ce = الحرارة النوعية.
Δt = تغير درجة الحرارة.
الحرارة المكتسبة بواسطة الماء تساوي الحرارة المنبعثة بواسطة قضيب المعدن.
هذه القيمة مماثلة لتلك الموضحة في جدول الحرارة النوعية للفضة (234 جول/كجم درجة مئوية).
ومن ثم فإن أحد تطبيقات القياس الحراري هو التعاون في تحديد المواد.
القنبلة الحرارية
يتكون من حاوية فولاذية تعرف بالقنبلة، مقاومة للضغوط العالية التي يمكن أن تنشأ أثناء التفاعلات التي تحدث في هذه الحاوية؛ وهذه الحاوية متصلة بدائرة إشعال لبدء التفاعلات.
تُغمر القنبلة في وعاء كبير من الماء، يمتص الحرارة المتولدة فيها أثناء التفاعلات، مما يُقلل من تفاوت درجات الحرارة. خزان الماء مُجهز بمقياس حرارة ومحرك ميكانيكي.
يتم قياس التغيرات في الطاقة عند حجم ودرجة حرارة ثابتين تقريبًا، وبالتالي لا يتم بذل أي عمل على التفاعلات التي تحدث في القنبلة.
ΔE = q
ΔE هو تغير الطاقة الداخلية في التفاعل والحرارة الناتجة عنه.
أنواع المسعرات الحرارية
مقياس الحرارة المتساوي الحرارة (ITC)
يحتوي المسعر على خليتين: في واحدة توضع العينة وفي الأخرى، المرجع، وعادة ما يوضع الماء.
يتم إلغاء الفرق في درجات الحرارة الذي ينشأ بين الخلايا - بسبب التفاعل الذي يحدث في خلية العينة - بواسطة نظام تغذية مرتدة يحقن الحرارة لمعادلة درجات حرارة الخلايا.
يسمح هذا النوع من المسعرات بمراقبة التفاعل بين الجزيئات الكبيرة وربيطاتها.
مقياس السعرات التفاضلية المسحية
يحتوي هذا المسعر على خليتين، مثل CTI، ولكنه يحتوي على جهاز يسمح بتحديد درجة الحرارة وتدفقات الحرارة المرتبطة بالتغيرات في المادة كدالة للوقت.
توفر هذه التقنية معلومات حول طي البروتينات والأحماض النووية، وكذلك استقرارها.
Aplicações
-تسمح لنا السعرات الحرارية بتحديد التبادل الحراري الذي يحدث في التفاعل الكيميائي، مما يسمح لنا بفهم آليته بشكل أكثر وضوحًا.
- عند تحديد الحرارة النوعية لمادة ما، توفر القياسات الحرارية بيانات تساعد في التعرف عليها.
-نظراً لوجود تناسب مباشر بين التغير الحراري للتفاعل وتركيز المواد المتفاعلة، بالإضافة إلى أن القياس الحراري لا يتطلب عينات واضحة، فمن الممكن استخدام هذه التقنية لتحديد تركيز المواد الموجودة في المصفوفات المعقدة.
-في مجال الهندسة الكيميائية، يتم استخدام القياس الحراري في سلامة العمليات وكذلك في مجالات مختلفة لتحسين العمليات والتفاعل الكيميائي وفي الوحدة التشغيلية.
استخدامات قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة
يُساعد هذا على تحديد آلية عمل الإنزيم، بالإضافة إلى حركيته. تُمكّن هذه التقنية من قياس التفاعلات بين الجزيئات، وتحديد ألفة الارتباط، والقياسات الكيميائية، والمحتوى الحراري، والإنتروبيا في المحلول دون الحاجة إلى مؤشرات.
- يقوم بتقييم تفاعل الجسيمات النانوية مع البروتينات، ويشكل مع الطرق التحليلية الأخرى أداة مهمة لتسجيل التغيرات التكوينية في البروتينات.
- لها تطبيقات في حفظ الأغذية والمحاصيل.
فيما يتعلق بحفظ الأغذية، يُمكنه تحديد درجة التلف ومدة الصلاحية (النشاط الميكروبيولوجي). كما يُمكنه مقارنة فعالية طرق حفظ الأغذية المختلفة، وتحديد الجرعة المثالية للمواد الحافظة، بالإضافة إلى مراقبة تدهور العبوات.
بالنسبة لمحاصيل الخضراوات، يُمكن دراسة إنبات البذور. عند وجودها في الماء وفي وجود الأكسجين، تُطلق البذور حرارة، يُمكن قياسها باستخدام مقياس حرارة متساوي الحرارة. افحص عمر البذور وتخزينها غير السليم، وادرس معدل نموها عند تعرضها لتغيرات في درجة الحرارة، أو الرقم الهيدروجيني، أو مواد كيميائية مختلفة.
أخيرًا، يُمكن قياس النشاط البيولوجي للتربة، والكشف عن الأمراض.
استخدامات المسح التفاضلي لقياس السعرات الحرارية
- إلى جانب القياس الحراري المتساوي الحرارة، سمح بدراسة تفاعل البروتينات مع ربيطاتها، والتفاعل التآزري، وطي البروتين وآلية استقرارها.
-يمكنك قياس الحرارة المنبعثة أو الممتصة بشكل مباشر أثناء حدث الارتباط الجزيئي.
المسح الحراري التفاضلي هو أداة ترموديناميكية لتحديد الطاقة الحرارية المُجمّعة في العينة مباشرةً. يسمح هذا بتحليل العوامل المؤثرة في استقرار جزيئات البروتين.
تدرس هذه التقنية أيضًا الديناميكا الحرارية لتحولات طي الأحماض النووية. تتيح هذه التقنية تحديد الاستقرار التأكسدي لحمض اللينوليك، سواءً المعزول أو المقترن بالدهون الأخرى.
- يتم تطبيق هذه التقنية في تحديد كمية المواد الصلبة النانوية الصيدلانية للاستخدام وفي التوصيف الحراري لحاملات الدهون النانوية.
المراجع
- ويتن، ك.، وديفيس، ر.، وبيك، م.، وستانلي، ج. كيمياء (2008). الطبعة الثامنة. تحرير سينجيج ليرنينج.
- ريهاك، ن.ن. ويونغ، د.س. (1978). التطبيقات المستقبلية لقياس السعرات الحرارية في المختبر السريري. عيادة الكيمياء 24 (8): 1414-1419.
- ستوسيل، ف. (1997). تطبيقات قياس السعرات الحرارية للتفاعلات في الهندسة الكيميائية . مجلة التحليل الحراري. 49 (3): 1677-1688.
- ويبر، ب. س. وسالمي، ف. ر. (2003). تطبيقات الطرق الحرارية لاكتشاف الأدوية ودراسة تفاعلات البروتين الرأي الحالي. هيكل. علم الأحياء. 13 (1): 115-121.
- جيل، ب.، وموغاديم، ت.، ورانجبار، ب. (2010).تقنيات المسح التفاضلي لقياس السعرات الحرارية: تطبيقات في علم الأحياء وعلوم النانو . مجلة التكنولوجيا البيولوجية 21 (4): 167-193.
- أومانوفيتش-ميكليكانين، إي، ومانفيلد، آي، وويلكينز، تي. (2017). تطبيقات قياس السعرات الحرارية بالمعايرة المتساوية الحرارة في تقييم تفاعلات البروتين مع الجسيمات النانوية . مجلة التحليل الحراري. 127: 605-613.
- اتحاد كليات المجتمع لمؤهلات العلوم البيولوجية. (٧ يوليو ٢٠١٤). مقياس حرارة فنجان القهوة. [شكل]. تم الاسترجاع في ٧ يونيو ٢٠١٨، من: commons.wikimedia.org